一種框類零件的組合加工工藝方法及程序優化

李 騰，楊雄飛，丁傳東

（1.齊齊哈爾大學，黑龍江 齊齊哈爾 161000；2.航空工業哈爾濱飛機工業集團有限責任公司，黑龍江 哈爾濱 150066）

數控加工技術是現代工業生產的重要手段之一，其特點是能實現復雜零件的加工、高精度加工、在線檢測等功能，而實現這一系列功能的工具就是數控機床。

數控機床具有：加工精度高，質量穩定；能夠實現復雜的運動，柔性好；加工生產效率高；減輕勞動強度、改善勞動條件；有利于生產管理等特點。

影響數控機床加工有兩個重要因素：一是零件的工藝方法，另外一個是數控加工程序，兩項因素直接影響零件的加工質量和效率、工人勞動強度。如何改善零件的加工質量，提高零件生產效率，降低工人勞動強度，滿足飛機的交付進度，成了首要解決的問題。

文章以某型機中某結構框為例解決零件組合加工技術及數控程序優化工作的一些問題。

1 組合加工工藝方案的制定

1.1 原始的零件的加工方案

零件原始加工狀態為零件單件加工，采用單件加工的真空夾具進行加工，零件在粗加工去量、精加工零件外形時經常需要倒換壓板才能進行加工，并且真空吸附區域經常出現壁厚不均勻的狀況，如不謹慎測量，經常容易出現超差品。

1.2 采用組合加工的零件加工方案

零件采用兩件組合加工，減少了材料的用量。擴大真空吸附區域，使零件壁厚均勻，減少工人頻繁測量的工作量，無需頻繁倒換壓板，外形可在第一坐標系的通用工裝實現吸附狀態。現利用工裝中間三個螺栓孔進行壓緊，進行加工，零件第二坐標系加工時外形壓板僅起到輔助作用，當零件進行切斷時壓板拆除，無需重新進行安裝。由于零件加工用機床為FIDIA機床，其主軸Y向形成僅有1100mm，介于該機床的局限性，原始工裝保留作為零件鉆孔使用，而新工裝作為零件的加工工裝使用。

圖2 組合加工方案第二坐標系加工狀態

1.3 兩種加工方案的區別

（1）吸附作用面面積。單件加工時真空吸附區域小，而兩件同時加工增加了真空吸附區域，增加大氣壓力力值，如果零件在理論狀態下，零件安放在真空夾具上時，即使無真空吸附時也應完全貼合，但實際情況往往不是如此。金屬零件在毛坯有余量去除時，本身破壞了金屬材料內部的纖維，產生的應力變化造成零件的變形。零件已經發生變形時需要完全與工裝貼合，就需外力作用使其達到該狀態。

其中圖3所示為零件兩件加工時的真空吸附狀態，圖4為零件單件狀態下的真空吸附狀態。

圖3 組合加工方案中真空吸附狀態

圖4 單獨加工方案中真空吸附狀態

（2）加工方案合理性。零件單件加工時，不利于數控機床的加工，適當增大零件的加工區域往往可以提高機床的加工效率，機床在加工區域較小時，機床頻繁換向，機床加工速度始終都處于變化過程中，數控機床加工轉角時，有一定的降速過程，走刀速度變慢，而兩件同時加工時，可以形成一個較大的封閉腔，這樣可以使機床走刀速度提升，充分發揮高速機床的特點。圖5和圖6分別為零件組合加工和單獨加工時的加工狀態。

圖5 零件組合加工時的零件腔加工時的加工狀態

圖6 零件單獨加工時的零件腔加工時的加工狀態

（3）加工過程中裝夾方式。組合加工方案降低了工人的勞動強度，兩件組合加工后零件安放壓板的區域增加，減少了零件加工過程中調整零件及倒換壓板的工作，不需頻繁調整，降低勞動強度。

1.4 零件數控程序的加工

零件數控加工程序編制過程中首先考慮零件的裝夾方式，該零件數控加工過程中由于是兩件組合加工，因此零件裝夾時可利用中間區域增加螺釘進行壓緊，零件精加工時為防止零件側壁震動可適當增加壓板進行輔助壓緊，同時還可以充分保證零件的加工尺寸要求。當零件經加工結束后，可將零件壓板去除，零件切斷時也不需要壓緊，直接切斷可以完成零件的加工。圖7所示為輔助壓緊，圖8為切斷壓緊。

圖7 組合加工方案的輔助壓緊示意圖

圖8 組合加工方案的切斷壓緊示意圖

2 數控程序的優化方案

2.1 粗加工過程中的優化

粗加工過程中為使零件充分變形，首先在加工零件過程中應考慮刀具對零件變形量的影響，其次經過試切過程中觀察零件粗加工結束后的零件變形量，最終確定零件的粗加工留量尺寸，避免粗加工留量的過大或者過小，粗加工留量過大涉及到零件后續加工中持續變形量增大，留量過小會造成零件精加工時部分區域出現加工缺陷，根據零件的加工試驗，零件整體留量2mm。零件粗加工時零件正反兩面都進行留量處理，經過自然時效或者人工時效的方式進行處理，讓零件充分變形后，對零件后續進行加工。

2.2 精加工過程的優化

零件粗加工結束后零件經過時效處理，已經充分變形，經過試驗零件變形的方式為U型，需要將零件的底面銑平面，作為零件加工的基準面，加工結束后進行裝夾，進行整體的精加工。精加工需要注意的幾點問題：

（1）零件加工過程中為避免零件轉角R過渡的過程中，由于機床的慣性作用使的R角區域出現過切，此情況在零件程序進行仿真分析時不會出現，在實際加工過程中會出現，同時在此加工過程中，轉角區域表面光度不好，經常需要人工進行打磨處理。為避免此情況的發生，在程序編制過程中根據零件轉角R的公差，需要編制工藝輔助線，將轉角R值加大，一般加大0.1mm便可以避免刀具直接成型R角，同樣的區域處理的方式很多，但是不建議更改小于轉角直徑的刀具進行加工，因為，刀具越小加工過程中的震動越明顯，更不利于零件質量的保證。

圖9 工藝輔助線加工的零件軌跡示意圖

（2）對于航空零件的結構來講，零件一般壁厚較薄，加工中零件震動明顯，表面光度不好，并且極容易超差，為了避免此類情況的發生，采用錯層加工的方式進行零件的加工，可以很好的控制零件加工的震動問題。

這里所使用的是錯層加工的方式，錯層加工主要是通過零件不對稱的切削方式，增加零件壁厚的剛性，減少因震動造成零件加工表面的缺陷（如圖10所示）。

圖10

錯層加工過程中，需要根據加工對象的高度來進行調節錯層的層差深度，若零件高度較小，錯層加工的優勢就會降低，不如使用常規的加工方式，讓加工效率、質量均有所保障，根據長期的加工經驗，一般高度小于20mm，壁厚在1.5mm以上不推薦使用此方法，因此零件高度較大且壁厚較薄時為保證零件的加工質量，一般選擇為精加工切削深度的50%作為層差，這樣可以增加零件單側加工的支撐強度，選擇錯層加工減少震動是其中一個優勢，另外優點在于，零件不對稱加工時，利于切削熱釋放，因為錯層加工屬于不對稱切削，且為立筋兩側按順序去除余量，與粗加工中的對稱加工效果類似，可以減少因切削熱量引起的零件變形。

如圖11，零件加工的順序為1-2-3-4-5-6-7-8，加工過程中所有未加工的區域對在加工區域都起到了一定的支撐作用。在根部的余量保證最終一致，根部的剛性較好，可一次加工完成，不需在進行其它余量的調節。此種方式加工的空行程較多，一般建議在高速機床應用，對加工效率的損失相對較少。

圖11 錯層加工方案示意圖

但是此處需要注意的是，零件粗加工結束后直接進行精加工，這樣可以將零件粗加工時形成材料冷作硬化區域直接高速去除，主要是因為零件粗加工時為提高加工效率一般都采用低速度走刀，提高零件的切削效率，往往此種走刀方式會產生大量的切削熱停留在半成品零件的表面，由于熱的作用造成零件的表面有冷作硬化區，而高速切削時70%的熱量時由切削帶走，而零件受溫度影響較小，同一區域粗、精加工先后進行，有利于零件的變形控制。零件錯層加工時不需要建立工藝模型僅需要簡單調整及可，見圖12。

圖12 錯層加工策略設置

2.3 零件的加工提效

數控發展至今，設備的不斷更新，對于零件的加工要求有了很大的變化，原有的零件加工方法有很大的參考價值，但是已經不能完全適應飛機生產的需要，因此提高零件的質量及生產效率成為了當前重要的研究課題，該零件的原始加工狀態中主要時應用了一些專用刀具進行加工，這樣無形之中增加了零件的成本，優化后的零件大部分刀具采用常規硬質合金刀具，其優點是鋒利、耐用，避免由于長期加工零件時刀具磨損造成的零件超差或者需要經常更換刀具造成的時間損失。并且零件的加工效率及表面質量都有所提升，原零件加工的時間為單件16小時數控加工完成，后續需鉗工大量打磨修理約2小時，優化后零件的實際加工時間為1件8小時，鉗工修理時間所減至0.5小時，零件總體加工提高效率約200%，并且零件加工的合格率為99%。充分滿足了零件鉚接的進度要求。

2.4 降低消耗

該零件原狀態加工時選用材料大小為1146mm×320mm，定額重量92.25kg，零件工藝方案完善后所用材料為1210mm×530mm/（2件），定額重量為80.8kg，節省材料定額11.45kg/件。

2.5 直接經濟收益（估算）

8小時（節省工時：單件）×800元/小時（機床小時費率）=6400元

1.5小時（節省工時：單件）×160元/小時（人工小時費率）=240元

11.45kg×80元/kg（按國產鋁板估算）=916元

合計6400元+240元+916元=7556元（估算單件節省費用）

3 結語

零件優化過程中主要是結合了零件的自身特點，旋轉零件的過程中，兩件幾乎對稱，可用此種方法進行加工，并且零件加工過程中，由于單件加工時真空夾具吸附區域較小，經常出現零件與腹板貼合區域尺寸不固定，造成零件加工中的故障。零件所用材料組合加工后可以適當進行縮減，并不影響零件的整體新方案進行加工。但是零件采用此中方法加工時，主要問題存在于如過零件裝配過程中單件出現報廢品情況時，補制比較困難，零件投產只能兩件同時進行，如果需單件補加工時，需將零件材料恢復至原始單件加工的狀態下才能進行加工。

隨著經濟的進步和科學技術的發展，特別是航空產品日趨精密、復雜；產品的升級、換代加快，改型頻繁，因此企業要求發展，就必須更廣泛、高效地應用數控加工技術，而怎樣提高數控加工的質量及效率也成為數控加工中的問題。

文章以某型機某框類零件為例介紹了組合加工技術在批生產機型中的應用，以及零件數控程序的優化提效，并將零件的加工過程的工人勞動強度降低，提高零件按的加工質量。